JP6158377B2 - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、膜電極複合体、及び固体高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly and a solid polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、電池内で、水素、メタノール等を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池と比較して低温で作動することから、自動車代替動力源、家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機等として期待されている。
このような固体高分子電解質型燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層とが積層されたガス拡散電極がプロトン交換膜の両面に接合した膜電極接合体を少なくとも備えている。ここでいうプロトン交換膜は、高分子鎖中にスルホン酸基、カルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する材料である。このようなプロトン交換膜としては、化学的安定性の高いナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン交換膜が好適に用いられる。
A fuel cell is one that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen, methanol, etc. in the battery, and is attracting attention as a clean electrical energy supply source. ing. In particular, solid polymer electrolyte fuel cells are expected to be used as alternative power sources for automobiles, home cogeneration systems, portable generators, and the like because they operate at a lower temperature than other fuel cells.
Such a solid polymer electrolyte fuel cell includes at least a membrane electrode assembly in which a gas diffusion electrode in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is bonded to both surfaces of a proton exchange membrane. The proton exchange membrane here is a material having a strong acidic group such as a sulfonic acid group and a carboxylic acid group in the polymer chain and a property of selectively transmitting protons. As such a proton exchange membrane, a perfluoro proton exchange membrane represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high chemical stability is preferably used.

固体高分子電解質型燃料電池は、電極触媒層、すなわちアノード触媒を備えるアノード触媒層及びカソード触媒を備えるカソード触媒層、が高分子電解質膜であるプロトン交換膜の両面に接合された膜電極接合体(以下「MEA」と略記することがある。)を少なくとも備えている。また、電極触媒層の更に外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものについても、MEAと呼ばれる場合がある。 A solid polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer, that is, an anode catalyst layer including an anode catalyst and a cathode catalyst layer including a cathode catalyst are bonded to both surfaces of a proton exchange membrane which is a polymer electrolyte membrane. (Hereinafter sometimes abbreviated as “MEA”). Moreover, what joined a pair of gas diffusion layers so that it might oppose further on the outer side of an electrode catalyst layer may be called MEA.

固体高分子電解質型燃料電池の運転時、アノード側のガス拡散電極に燃料(例えば、水素)、カソード側のガス拡散電極に酸化剤(例えば、酸素や空気)がそれぞれ供給され、両電極間が外部回路で接続されることにより、燃料電池の作動が実現される。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒上で水素が酸化されてプロトンが生じる。このプロトンは、アノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード触媒上に達する。一方、水素の酸化によりプロトンと同時に生じた電子は、外部回路を通ってカソード側ガス拡散電極に到達する。カソード触媒上では、上記プロトンと酸化剤中の酸素とが反応して水が生成される。そして、このときに電気エネルギーが取り出される。   During operation of the solid polymer electrolyte fuel cell, fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and oxidant (for example, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side. By connecting with an external circuit, the operation of the fuel cell is realized. Specifically, when hydrogen is used as fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst to generate protons. After passing through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer, the protons move in the proton exchange membrane and reach the cathode catalyst through the proton conductive polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons by oxidation of hydrogen reach the cathode side gas diffusion electrode through an external circuit. On the cathode catalyst, the proton and oxygen in the oxidant react to generate water. At this time, electric energy is extracted.

特許文献1には、当量重量(以下、「EW」とも表記する。)が555〜715であり、側鎖に特定の官能基を2個有する繰り返し単位を含むパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を含む電極触媒層を用いる技術が開示されている。また、特許文献2には、EW250〜EW680を有するプロトン伝導性パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を、触媒粒子と共に電極触媒層として用いる技術が開示されている。   Patent Document 1 discloses an electrode catalyst having a perfluorocarbon sulfonic acid resin having an equivalent weight (hereinafter also referred to as “EW”) of 555 to 715 and including a repeating unit having two specific functional groups in the side chain. Techniques using layers are disclosed. Patent Document 2 discloses a technique in which a proton conductive perfluorocarbon sulfonic acid resin having EW250 to EW680 is used as an electrode catalyst layer together with catalyst particles.

特開2008−186784号公報JP 2008-186784 A 特開2010−225585号公報JP 2010-225585 A

固体高分子電解質型燃料電池は、高出力特性を得るために高加湿条件下で運転されるのが通常である。現在、アノードにおいては現状よりも低加湿条件、カソードにおいては無加湿条件下での運転が望まれている。   A solid polymer electrolyte fuel cell is usually operated under high humidification conditions in order to obtain high output characteristics. At present, it is desired that the anode be operated under a lower humidification condition than the current situation, and the cathode should be operated under a non-humidification condition.

高分子電解質膜としてEWが1100程度である従来のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜、例えばナフィオン(登録商標、デュポン社製)を用いた膜電極接合体を備えた燃料電池は、低加湿条件下、特にカソード無加湿条件下では、燃料電池を運転することができないのが実情である。また、特許文献1及び特許文献2に開示の電極触媒層は、カソード無加湿条件下における出力特性という点において、なお改良の余地を有するものであった。   A fuel cell equipped with a membrane electrode assembly using a conventional perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane having a EW of about 1100 as a polymer electrolyte membrane, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), is particularly suitable under low humidification conditions. The actual situation is that the fuel cell cannot be operated under the condition of no humidification of the cathode. In addition, the electrode catalyst layers disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 still have room for improvement in terms of output characteristics under cathode non-humidified conditions.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、カソード無加湿条件下でも高い出力を有する膜電極接合体及び、その膜電極接合体を備える固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a membrane electrode assembly having high output even under a non-humidified condition of a cathode, and a solid polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly. To do.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、膜電極接合体に備えられるカソード触媒層及びアノード触媒層における高分子電解質が、特定の関係を有することによって、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have achieved the above object by having a specific relationship between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer provided in the membrane electrode assembly. As a result, the present invention was completed.

すなわち、本発明は、下記のとおりである。
(1)高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を両側から挟む、アノード触媒層と、カソード触媒層と、を備える膜電極接合体を備えカソード電極を無加湿下条件で運転する固体高分子電解質型燃料電池であって、前記膜電極接合体において、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、それぞれ、導電性粒子とその上に担持された電極触媒粒子とを含む複合粒子と、高分子電解質と、を含み、前記複合粒子は、前記電極触媒粒子を、前記複合粒子100質量%に対して1〜99質量%担持しており、前記アノード触媒層における前記高分子電解質の25℃における水中含水率が、20〜36%であり、前記カソード触媒層における前記高分子電解質の25℃における水中含水率が、前記アノード触媒層における前記高分子電解質の25℃における前記水中含水率よりも大きく、前記カソード触媒層における前記高分子電解質の当量重量が、455〜800であ前記カソード触媒層における前記高分子電解質が、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であり、前記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、下記一般式(1):
−(CF 2 −CFZ)− (1)
(式中、Zは、水素原子、塩素原子、フッ素原子又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す。)
で表される繰り返し単位と、下記一般式(2):
−(CF 2 −CF(−O−(CF 2 m −SO 3 H))− (2)
(式中、mは1〜12の整数である。)
で表される繰り返し単位と、を有する共重合体である、固体高分子電解質型燃料電池
(2)前記カソード触媒層における前記高分子電解質の当量重量が、前記アノード触媒層における前記高分子電解質の当量重量よりも、100〜1000小さい、(1)の固体高分子電解質型燃料電池。
That is, the present invention is as follows.
(1) a polymer electrolyte membrane, sandwich the polymer electrolyte membrane from both sides, the anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, comprising a membrane electrode assembly comprising a solid high operating the cathode electrode without humidification under conditions In the molecular electrolyte fuel cell, in the membrane electrode assembly, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are each composed of composite particles including conductive particles and electrode catalyst particles supported thereon, And the composite particles carry 1 to 99% by mass of the electrocatalyst particles with respect to 100% by mass of the composite particles, and the polymer electrolyte in the anode catalyst layer at 25 ° C. The water content in water is 20 to 36%, and the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is 2 of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer. Wherein at ℃ greater than water water content, equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer, 455-800 der is, the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, The perfluorocarbon sulfonic acid resin has the following general formula (1):
- (CF 2 -CFZ) - ( 1)
(In formula, Z shows a hydrogen atom, a chlorine atom, a fluorine atom, or a C1-C3 perfluoroalkyl group.)
A repeating unit represented by the following general formula (2):
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2) m -SO 3 H)) - (2)
(In the formula, m is an integer of 1 to 12.)
A solid polymer electrolyte fuel cell, which is a copolymer having a repeating unit represented by:
(2) The solid polymer electrolyte fuel cell according to (1), wherein an equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is 100 to 1000 smaller than an equivalent weight of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer .

本発明によると、カソード無加湿条件下でも高い出力を有する膜電極接合体及び、その膜電極接合体を備える固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a membrane electrode assembly having a high output even under a non-humidified condition of the cathode, and a solid polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.

以下、本発明を実施するための最良の形態(以下「本実施の形態」と記載する。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary.

本実施の形態の膜電極接合体は、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を両側から挟むアノード触媒層とカソード触媒層とを備える。アノード触媒層は、アノードとしての燃料電池用電極触媒層(以下、単に「電極触媒層」ともいう。)であり、カソード触媒層は、カソードとしての電極触媒層である。各電極触媒層は、それぞれ、導電性粒子とその上に担持された電極触媒粒子とを含む複合粒子と、高分子電解質とを含む。   The membrane electrode assembly of the present embodiment includes a polymer electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer that sandwich the polymer electrolyte membrane from both sides. The anode catalyst layer is an electrode catalyst layer for a fuel cell as an anode (hereinafter also simply referred to as “electrode catalyst layer”), and the cathode catalyst layer is an electrode catalyst layer as a cathode. Each electrode catalyst layer includes a composite particle including conductive particles and electrode catalyst particles supported thereon, and a polymer electrolyte.

まず、高分子電解質について説明する。本実施の形態において用いられる高分子電解質としては、例えば、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物、分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物にイオン交換基を導入したものが好ましい。上記分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物としては、例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル及びポリカーボネートが挙げられる。高分子電解質は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   First, the polymer electrolyte will be described. As the polymer electrolyte used in the present embodiment, for example, a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, or a compound obtained by introducing an ion exchange group into a hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule is preferable. Examples of the hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule include polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, polythioether ether sulfone, Polythioether ketone, polythioether ether ketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone , Polyimide, polyetherimide, polyesterimide, polyamideimide, polyester Arylate, aromatic polyamide, polystyrene, polyester and polycarbonate. A polymer electrolyte is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

中でも、上記分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物としては、耐熱性、耐酸化性及び耐加水分解性の観点から、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド及びポリエーテルイミドが好ましい。上記分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物の芳香族環に導入するイオン交換基としては、例えば、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基及びリン酸基が挙げられ、スルホン酸基であることが好ましい。   Among these, the hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule includes polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and hydrolysis resistance. , Polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, Polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide and polyether Soil is preferred. Examples of the ion exchange group introduced into the aromatic ring of the hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule include a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group. And is preferably a sulfonic acid group.

本実施の形態において用いられる高分子電解質としては、化学的安定性の観点から、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物が好適である。上記イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホンイミド樹脂、パーフルオロカーボンスルホンアミド樹脂、パーフルオロカーボンリン酸樹脂、又はこれら樹脂のアミン塩、金属塩が挙げられる。これらの中では、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が特に好ましい。   The polymer electrolyte used in the present embodiment is preferably a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group from the viewpoint of chemical stability. Examples of the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group include perfluorocarbon sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin, perfluorocarbon sulfonimide resin, perfluorocarbon sulfonamide resin, perfluorocarbon phosphoric acid resin, or these resins. Examples include amine salts and metal salts. Among these, perfluorocarbon sulfonic acid resin is particularly preferable.

本実施形態におけるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂としては、特に限定されないが、下記一般式(2A)で表されるフッ化ビニルエーテル化合物と下記一般式(1A)で表されるフッ化オレフィンモノマーとの共重合体からなるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体を加水分解して得られるものが好ましい。   Although it does not specifically limit as a perfluorocarbon sulfonic acid resin in this embodiment, Copolymerization of the fluorinated vinyl ether compound represented by the following general formula (2A) and the fluorinated olefin monomer represented by the following general formula (1A) What is obtained by hydrolyzing a perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor composed of a coalescence is preferable.

CF2=CF−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−W (2A)
ここで、式(2A)中、Xは、フッ素原子又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数であり、mは0〜12の整数である。ただし、nとmとは同時に0にならない。Wは加水分解によりSO3Hに転換し得る官能基である。
CF2=CFZ (1A)
ここで、式(1A)中、Zは、水素原子、塩素原子、フッ素原子又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す。
CF 2 = CF-O- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -W (2A)
Here, in formula (2A), X represents a fluorine atom or a C1-C3 perfluoroalkyl group, n is an integer of 0-5, and m is an integer of 0-12. However, n and m are not 0 at the same time. W is a functional group that can be converted to SO 3 H by hydrolysis.
CF 2 = CFZ (1A)
Here, in the formula (1A), Z represents a hydrogen atom, a chlorine atom, a fluorine atom, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.

上記式(2A)中の加水分解によりSO3Hに転換しうる官能基であるWとしては、SO2F、SO2Cl又はSO2Brが好ましい。また、上記式(2A)及び(1A)において、XがCF3、WがSO2F、Zがフッ素原子であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体が好ましく、中でも、nが0であり、mが0〜6の整数(ただし、nとmとは同時に0にならない)であり、XがCF3、WがSO2F、Zがフッ素原子であるものが、高い樹脂濃度の溶液が得られる観点から、より好ましい。 As W which is a functional group that can be converted to SO 3 H by hydrolysis in the above formula (2A), SO 2 F, SO 2 Cl, or SO 2 Br is preferable. In addition, in the above formulas (2A) and (1A), a perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor in which X is CF 3 , W is SO 2 F, and Z is a fluorine atom is preferable, among which n is 0 and m is A viewpoint in which a solution with a high resin concentration can be obtained when 0 and 6 are integers (where n and m are not 0 simultaneously), X is CF 3 , W is SO 2 F, and Z is a fluorine atom. To more preferable.

上記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体は、公知の手段により合成できる。例えば、含フッ素炭化水素等の重合溶剤を使用し、上記フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填溶解して反応させ重合する方法(溶液重合)、含フッ素炭化水素等の溶媒を使用せずフッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として重合する方法(塊状重合)、界面活性剤の水溶液を媒体として、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填して反応させ重合する方法(乳化重合)、界面活性剤及びアルコール等の助乳化剤の水溶液に、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填乳化して反応させ重合する方法(ミニエマルジョン重合、マイクロエマルジョン重合)、及び懸濁安定剤の水溶液にフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填懸濁して反応させ重合する方法(懸濁重合)が挙げられる。本実施形態においては、いずれの重合方法で合成されたものでも使用することができる。   The perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor can be synthesized by known means. For example, using a polymerization solvent such as fluorine-containing hydrocarbon, filling and dissolving the above-mentioned vinyl fluoride compound and fluorinated olefin gas and reacting them (solution polymerization), using a solvent such as fluorine-containing hydrocarbon Without polymerizing the vinyl fluoride compound itself as a polymerization solvent (bulk polymerization), using a surfactant aqueous solution as a medium, filling a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas, and reacting to polymerize (emulsification) Polymerization), a method in which an aqueous solution of a co-emulsifier such as a surfactant and alcohol is filled and emulsified with a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas, and then reacted (miniemulsion polymerization, microemulsion polymerization) and suspension. A method (suspension polymerization) in which a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas are charged and suspended in an aqueous solution of a stabilizer to cause polymerization (suspension polymerization). . In this embodiment, those synthesized by any polymerization method can be used.

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、下記式(1):
−(CF2−CFZ)− (1)
で表される繰り返し単位と、下記一般式(2B):
−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))− (2B)
で表される繰り返し単位とを有する共重合体であると好ましい。ここで、式(1)中、Zは上記式(1A)におけるものと同義であり、式(2B)中、Xはフッ素原子又はCF3であり、nは0〜5の整数であり、mは0〜12の整数である。ただし、nとmとは同時に0にならない。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が上記構造を有する共重合体であると、膜電極接合体は高性能を有し、かつ燃料電池運転中に生成する過酸化水素ラジカルへの耐性が強くなる傾向にある。
また、カソード触媒層におけるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、上記一般式(1)で表される繰り返し単位と、下記一般式(2):
−(CF2−CF(−O−(CF2m−SO3H))− (2)
で表される繰り返し単位とを有する共重合体であると好ましい。ここで、式中、mは1〜12の整数である。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が上記構造を有する共重合体であると、含水率が高くなり、かつプロトン伝導性が向上する傾向にある。
The perfluorocarbon sulfonic acid resin has the following formula (1):
- (CF 2 -CFZ) - ( 1)
A repeating unit represented by the following general formula (2B):
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H)) - (2B)
A copolymer having a repeating unit represented by Here, in formula (1), Z is synonymous with that in formula (1A) above, in formula (2B), X is a fluorine atom or CF 3 , n is an integer of 0 to 5, m Is an integer from 0 to 12. However, n and m are not 0 at the same time. When the perfluorocarbon sulfonic acid resin is a copolymer having the above structure, the membrane / electrode assembly tends to have high performance and resistance to hydrogen peroxide radicals generated during fuel cell operation.
Further, the perfluorocarbon sulfonic acid resin in the cathode catalyst layer includes a repeating unit represented by the above general formula (1) and the following general formula (2):
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2) m -SO 3 H)) - (2)
A copolymer having a repeating unit represented by Here, m is an integer of 1-12 in a formula. If the perfluorocarbon sulfonic acid resin is a copolymer having the above structure, the moisture content tends to be high and the proton conductivity tends to be improved.

さらに、上記一般式(2)中、mが1〜6の整数であると、燃料電池の発電性能の観点からより好ましい。   Further, in the general formula (2), it is more preferable that m is an integer of 1 to 6 from the viewpoint of power generation performance of the fuel cell.

また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の耐久性を改善するために、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の前駆体が有する不安定末端基を、安定化処理してもよい。上記前駆体が有する不安定末端基としては、カルボン酸基(−COOH)、カルボン酸塩の基(−COOM;Mは塩を形成する金属原子)、カルボン酸エステル基(−COOR;Rは1価の有機基)、カーボネート基(−OCOOR;Rは1価の有機基)、アルキル基及びメチロール基(−CH2OH)が挙げられる。不安定末端基は、上記重合方法や、その重合方法に用いられる開始剤、連鎖移動剤、重合停止剤の種類等によって変化する。例えば、重合方法として乳化重合を選択し、連鎖移動剤を用いない場合、不安定末端基はそのほとんどがカルボン酸基となる。上記前駆体が有する不安定末端基を安定化する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、前駆体をフッ素化剤で処理して不安定末端基を−CF3に変換して安定化する方法、前駆体を加熱脱炭酸して不安定末端基を−CF2Hに変換して安定化する方法が挙げられる。 In addition, in order to improve the durability of the perfluorocarbon sulfonic acid resin, the unstable terminal group of the precursor of the perfluorocarbon sulfonic acid resin may be stabilized. Examples of the unstable terminal group of the precursor include a carboxylic acid group (—COOH), a carboxylate group (—COOM; M is a metal atom forming a salt), a carboxylic acid ester group (—COOR; R is 1 Valent organic group), carbonate group (—OCOOR; R is a monovalent organic group), alkyl group, and methylol group (—CH 2 OH). The unstable terminal group varies depending on the polymerization method, the type of initiator, chain transfer agent, polymerization terminator, etc. used in the polymerization method. For example, when emulsion polymerization is selected as the polymerization method and no chain transfer agent is used, most of the unstable end groups are carboxylic acid groups. The method for stabilizing the unstable terminal group of the precursor is not particularly limited. For example, the precursor is treated with a fluorinating agent to convert the unstable terminal group to —CF 3. Examples of the stabilization method include a method in which the precursor is heated and decarboxylated to convert the unstable end group to —CF 2 H to be stabilized.

本実施の形態における膜電極接合体の一つの例において、カソード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率が、アノード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率よりも大きい。高分子電解質の水中含水率は、高分子電解質を25℃の水中に1時間静置後、水中から取り出して表面の水滴を拭き取った後の質量(含水質量)と、それを更に160℃で十分乾燥した後の質量(乾燥質量)とをそれぞれ測定し、乾燥質量に対する含水質量の質量増加率として表される。一般的に、水中含水率は、当量重量(以下、「EW」とも表記する。)が小さいと高く、当量重量が大きいと低い。ここで、「当量重量」とは、プロトン交換基1当量あたりの高分子電解質の乾燥質量グラム数を意味する。   In one example of the membrane electrode assembly in the present embodiment, the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is larger than the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer. The water content of the polymer electrolyte in water is determined by placing the polymer electrolyte in water at 25 ° C. for 1 hour, removing the water from the water and wiping off the water droplets on the surface (water content), and further at 160 ° C. The mass after drying (dry mass) is measured, and is expressed as the mass increase rate of the moisture content relative to the dry mass. In general, the water content in water is high when the equivalent weight (hereinafter also referred to as “EW”) is small, and low when the equivalent weight is large. Here, “equivalent weight” means the dry mass in grams of the polymer electrolyte per equivalent of proton exchange groups.

上述から明らかなとおり、高分子電解質の25℃における水中含水率は、例えば、当量重量により調整することができる。より詳細には、当量重量を小さくすることにより、高分子電解質の水中含水率を高くすることができる。   As is apparent from the above, the water content of the polymer electrolyte in water at 25 ° C. can be adjusted by, for example, the equivalent weight. More specifically, the water content of the polymer electrolyte in water can be increased by reducing the equivalent weight.

また、本実施の形態における高分子電解質は、吸水性の微細粒子状及び/又は繊維状シリカを含有することにより、含水性が付与されてもよい。さらに、非定形の吸水性材料を高分子電解質中に均一に分散させる方法として、ゾルゲル反応を利用して吸水性金属酸化物を含有させる方法を用いてもよい。   In addition, the polymer electrolyte in the present embodiment may be provided with water content by containing water-absorbing fine particles and / or fibrous silica. Furthermore, as a method of uniformly dispersing the amorphous water-absorbing material in the polymer electrolyte, a method of containing a water-absorbing metal oxide using a sol-gel reaction may be used.

本実施の形態において、アノード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率は、特に限定されないが、好ましくは10〜200%であり、より好ましくは10〜100%であり、更に好ましくは20〜100%である。一方、カソード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率は、特に限定されないが、好ましくは20〜500%であり、より好ましくは20〜400%であり、更に好ましくは50〜400%である。   In the present embodiment, the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 200%, more preferably 10 to 100%, and still more preferably 20. ~ 100%. On the other hand, the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 20 to 500%, more preferably 20 to 400%, and still more preferably 50 to 400%. is there.

本実施の形態において、カソード触媒層における高分子電解質とアノード触媒層における高分子電解質との間で、25℃における水中含水率の差は、カソード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率が、アノード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率よりも1.5〜50倍大きいことが好ましく、1.5〜40倍大きいことがより好ましく、2〜20倍大きいことが更に好ましい。25℃における水中含水率を上記範囲に設定し、かつ後述の複合粒子を共存させることにより、カソード無加湿下での燃料電池運転時に、より高い出力を実現することが可能となる。   In the present embodiment, the difference in the water content in water at 25 ° C. between the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte in the anode catalyst layer is the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer. However, it is preferably 1.5 to 50 times greater than the water content of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer at 25 ° C., more preferably 1.5 to 40 times greater, and even more preferably 2 to 20 times greater. . By setting the water content in water at 25 ° C. within the above range and allowing the composite particles described below to coexist, higher output can be realized during fuel cell operation without cathode humidification.

本実施の形態における膜電極接合体の別の一例において、カソード触媒層における高分子電解質の当量重量が、アノード触媒層における高分子電解質の当量重量よりも小さい。本実施の形態において、アノード触媒層における高分子電解質の当量重量としては、特に限定されないが、350〜2000であることが好ましく、より好ましくは400〜1500であり、更に好ましくは500〜1000である。一方、カソード触媒層における高分子電解質の当量重量としては、特に限定されないが、250〜1000であることが好ましく、より好ましくは300〜900であり、更に好ましくは400〜800である。低いEWを有する高分子電解質は、高いプロトン伝導度を有する傾向にあるので、カソード触媒層の高分子電解質として用いることが望ましい。EWが250以上であることにより、耐熱水溶解性が十分となる傾向にあり、EWが1000以下であることにより、プロトン伝導度の低下を抑制でき、カソードに十分なプロトンを供給しやすくなる傾向にある。高分子電解質の当量重量は、高分子電解質を塩置換し、その溶液をアルカリ溶液で逆滴定することにより測定することができる。   In another example of the membrane electrode assembly in the present embodiment, the equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is smaller than the equivalent weight of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer. In this Embodiment, it is although it does not specifically limit as an equivalent weight of the polymer electrolyte in an anode catalyst layer, It is preferable that it is 350-2000, More preferably, it is 400-1500, More preferably, it is 500-1000. . On the other hand, the equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 250 to 1000, more preferably 300 to 900, and still more preferably 400 to 800. Since polymer electrolytes having low EW tend to have high proton conductivity, it is desirable to use them as polymer electrolytes in the cathode catalyst layer. When the EW is 250 or more, the heat-resistant water solubility tends to be sufficient, and when the EW is 1000 or less, a decrease in proton conductivity can be suppressed and sufficient protons can be easily supplied to the cathode. It is in. The equivalent weight of the polymer electrolyte can be measured by salt-substituting the polymer electrolyte and back titrating the solution with an alkaline solution.

高分子電解質の当量重量は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の場合、例えば、フッ化ビニルエーテル化合物(例えば上記一般式(2A)で表されるもの)とフッ化オレフィンモノマー(例えば上記一般式(1A)で表されるもの)との重合比を変えることにより調整することができる。より詳細には、フッ化ビニルエーテル化合物の重合比を大きくすることにより、高分子電解質の当量重量を小さくすることができる。   In the case of a perfluorocarbon sulfonic acid resin, the equivalent weight of the polymer electrolyte is, for example, a fluorinated vinyl ether compound (for example, one represented by the general formula (2A)) and a fluorinated olefin monomer (for example, the general formula (1A)). The polymerization ratio can be adjusted by changing the polymerization ratio. More specifically, the equivalent weight of the polymer electrolyte can be reduced by increasing the polymerization ratio of the fluorinated vinyl ether compound.

アノード触媒層における高分子電解質とカソード触媒層における高分子電解質との間での当量重量の差は、特に限定されないが、カソード触媒層における高分子電解質の当量重量が、アノード触媒層における高分子電解質の当量重量よりも100〜1000小さいことが好ましく、150〜1000小さいことがより好ましく、200〜1000小さいことが更に好ましい。   The difference in equivalent weight between the polymer electrolyte in the anode catalyst layer and the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is not particularly limited, but the equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is the same as the polymer electrolyte in the anode catalyst layer. It is preferably 100 to 1000 smaller than the equivalent weight, more preferably 150 to 1000 smaller, and still more preferably 200 to 1000 smaller.

アノード触媒層における高分子電解質とカソード触媒層における高分子電解質とは互いに同一の電解質であっても異なる電解質であってもよい。また、互いに異なる高分子電解質である場合、少なくともいずれか一方がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であると好ましい。さらに、それらの高電子電解質が互いに同一であっても異なっていても、いずれもがパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であると好ましく、いずれもが上記で好ましいパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂として説明したもの、例えば、上記一般式(1)で表される繰り返し単位と上記一般式(2)で表される繰り返し単位とを有する共重合体、であると更に好ましい。   The polymer electrolyte in the anode catalyst layer and the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer may be the same electrolyte or different electrolytes. In the case where the polymer electrolytes are different from each other, at least one of them is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin. Furthermore, even if their high electron electrolytes are the same or different from each other, it is preferable that both are perfluorocarbon sulfonic acid resins, both of which are described above as preferred perfluorocarbon sulfonic acid resins, for example, A copolymer having a repeating unit represented by the general formula (1) and a repeating unit represented by the general formula (2) is more preferable.

次に、本実施形態に係る電極触媒層に含有される、導電性粒子上に触媒粒子を担持した複合粒子について説明する。   Next, composite particles in which catalyst particles are supported on conductive particles contained in the electrode catalyst layer according to the present embodiment will be described.

導電性粒子を構成する材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛及び各種金属が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The material constituting the conductive particles is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and various metals. These are used singly or in combination of two or more.

導電性粒子の平均粒子径は、好ましくは10オングストローム〜10μmであり、より好ましくは50オングストローム〜1μmであり、更に好ましくは100オングストローム〜5000オングストロームである。導電性粒子がこのように微粒子化された平均粒子径を有することにより、その表面積を増大させ触媒粒子を効率よく分散して担持するという効果が得られる。導電性粒子の平均粒子径は、主に透過型電子顕微鏡により目視にて測定することができる。   The average particle diameter of the conductive particles is preferably 10 angstroms to 10 μm, more preferably 50 angstroms to 1 μm, and further preferably 100 angstroms to 5000 angstroms. When the conductive particles have such an average particle diameter that is made into fine particles, an effect of increasing the surface area and efficiently dispersing and supporting the catalyst particles can be obtained. The average particle diameter of the conductive particles can be measured visually with a transmission electron microscope.

触媒粒子は、アノード触媒層では、例えば水素などの燃料を酸化して容易にプロトンを生成すると共に、カソード触媒層では、プロトン及び電子と、例えば酸素及び空気などの酸化剤とを反応させて水を生成させる機能を有する。   In the anode catalyst layer, the catalyst particles easily generate protons by oxidizing a fuel such as hydrogen, and in the cathode catalyst layer, water is produced by reacting protons and electrons with an oxidant such as oxygen and air. It has the function to generate.

触媒粒子を構成する材料は、上記反応に寄与するものであれば特に限定されないが、上記反応に対する触媒活性が高くなる傾向にあるため、特に白金が好ましい。また、CO等の不純物に対する白金の耐性を強化するために、白金にルテニウム等の貴金属を添加したもの、あるいは、それらを合金化したものも好ましい。貴金属は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The material constituting the catalyst particles is not particularly limited as long as it contributes to the above reaction, but platinum is particularly preferable because the catalytic activity for the above reaction tends to be high. Moreover, in order to reinforce the resistance of platinum to impurities such as CO, those obtained by adding a noble metal such as ruthenium to platinum or those obtained by alloying them are also preferable. A noble metal is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

触媒粒子の平均粒子径は、10オングストローム〜1000オングストロームであると好ましく、10オングストローム〜500オングストロームであるとより好ましく、15オングストローム〜100オングストロームであると更に好ましい。触媒粒子が上記範囲の平均粒子径を有することにより、表面積を増大させバインダーポリマーとの接触面積を増大させることができるという効果を奏する。触媒粒子の平均粒子径は、主に透過型電子顕微鏡により目視にて測定することができる。   The average particle diameter of the catalyst particles is preferably from 10 angstroms to 1000 angstroms, more preferably from 10 angstroms to 500 angstroms, and further preferably from 15 angstroms to 100 angstroms. When the catalyst particles have an average particle diameter in the above range, the surface area can be increased and the contact area with the binder polymer can be increased. The average particle diameter of the catalyst particles can be measured visually with a transmission electron microscope.

本実施形態に係る複合粒子においては、触媒粒子が複合粒子100質量%に対して、好ましくは1〜99質量%、より好ましくは10〜90質量%、更に好ましくは20〜80質量%担持されていることが好ましい。触媒粒子の担持量を上記範囲内に調整することにより、所望の触媒活性を容易に得られる傾向にある。   In the composite particles according to this embodiment, the catalyst particles are preferably supported by 1 to 99% by weight, more preferably 10 to 90% by weight, and still more preferably 20 to 80% by weight with respect to 100% by weight of the composite particles. Preferably it is. By adjusting the supported amount of catalyst particles within the above range, the desired catalytic activity tends to be easily obtained.

本実施形態に係る複合粒子は、固体粒子上に触媒粒子を担持させる常法により製造されてもよく、市販のものを入手してもよい。市販の複合粒子としては、例えば、田中貴金属工業(株)社製、商品名「TEC10E40E」、デグッサ(株)社製、商品名「F101RA/W」が挙げられる。   The composite particles according to this embodiment may be produced by a conventional method in which catalyst particles are supported on solid particles, or commercially available products may be obtained. Examples of commercially available composite particles include Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., trade name “TEC10E40E”, Degussa Co., Ltd., trade name “F101RA / W”.

電極触媒層における上記複合粒子の含有量は、電極触媒層の一方の主面の面積に対して、好ましくは0.001〜10mg/cm2であり、より好ましくは0.01〜5mg/cm2であり、更に好ましくは0.1〜1mg/cm2である。発電量は触媒粒子の総面積、すなわち質量に依存するため、複合粒子の含有量を0.001mg/cm2以上にすることにより、高い発電特性を得ることが容易になる。また、複合粒子の含有量を10mg/cm2以下にすることにより、電解質のプロトン伝導抵抗による電圧ロスを抑制できるため、より高い発電特性が得られる傾向にある。 The content of the composite particle in the electrode catalyst layer, the area of the one main surface of the electrode catalyst layer is preferably 0.001 to 10 mg / cm 2, more preferably 0.01 to 5 mg / cm 2 More preferably, it is 0.1-1 mg / cm < 2 >. Since the power generation amount depends on the total area of the catalyst particles, that is, the mass, it is easy to obtain high power generation characteristics by setting the composite particle content to 0.001 mg / cm 2 or more. Moreover, since the voltage loss due to the proton conduction resistance of the electrolyte can be suppressed by setting the content of the composite particles to 10 mg / cm 2 or less, higher power generation characteristics tend to be obtained.

上記触媒粒子に対する上記高分子電解質の質量比は、プロトン伝導性を良好なものとする観点から、好ましくは0.1以上、より好ましく0.5以上である。また、上記質量比は、電子伝導性及び燃料ガス拡散性を向上させる観点から、好ましくは10以下、より好ましくは2以下である。   The mass ratio of the polymer electrolyte to the catalyst particles is preferably 0.1 or more, more preferably 0.5 or more, from the viewpoint of improving proton conductivity. The mass ratio is preferably 10 or less, more preferably 2 or less, from the viewpoint of improving the electron conductivity and the fuel gas diffusibility.

本実施形態の電極触媒層の厚みは、好ましくは0.1〜50μmであり、より好ましくは0.5〜30μmであり、更に好ましくは1〜20μmである。厚みが0.1μm以上であると、十分な発電性能を示し得る触媒担持量の電極触媒層を形成させることが容易となる。また、厚みが50μm以下であると、電極触媒層内のガス拡散性の低下を抑制できると共に電気抵抗も低くすることができる。なお、電極触媒層の厚みは、接触式膜厚計によって測定することができる。   The thickness of the electrode catalyst layer of the present embodiment is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 0.5 to 30 μm, and still more preferably 1 to 20 μm. When the thickness is 0.1 μm or more, it becomes easy to form an electrode catalyst layer having a catalyst carrying amount capable of exhibiting sufficient power generation performance. In addition, when the thickness is 50 μm or less, it is possible to suppress a decrease in gas diffusibility in the electrode catalyst layer and to reduce electric resistance. In addition, the thickness of an electrode catalyst layer can be measured with a contact-type film thickness meter.

本実施形態の電極触媒層は、イオン伝導性を良好なものにする観点から、その空隙率が、好ましくは1体積%以上、より好ましくは10体積%以上、更に好ましくは20体積%以上である。また、燃料ガス及び発電により発生した水の拡散性を向上させる観点から、上記空隙率が99体積%以下であると好ましく、90体積%以下であるとより好ましく、80体積%以下であると更に好ましい。なお、電極触媒層の空隙率は水銀圧入法により測定することができる。   The electrode catalyst layer of the present embodiment has a porosity of preferably 1% by volume or more, more preferably 10% by volume or more, and still more preferably 20% by volume or more, from the viewpoint of improving ion conductivity. . Further, from the viewpoint of improving the diffusibility of water generated by fuel gas and power generation, the porosity is preferably 99% by volume or less, more preferably 90% by volume or less, and further preferably 80% by volume or less. preferable. The porosity of the electrode catalyst layer can be measured by a mercury intrusion method.

次に、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法について説明する。膜電極接合体の製造方法としては特に限定されず、従来公知の製造方法であってもよい。例えば、電極触媒層に含まれる高分子電解質がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂である場合、以下の(1)〜(3)の各工程を含む方法により膜電極接合体を得ることが望ましい。すなわち、(1)パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒に溶解又は懸濁してパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を得る工程と、(2)パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液と上述の複合粒子と溶媒とを混合した混合液を得る工程と、(3)上記混合液を用いて高分子電解質膜上に電極触媒層を形成させ、膜電極接合体を得る工程とを含む方法であると好ましい。
以下、各工程について説明する。
Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this embodiment is demonstrated. It does not specifically limit as a manufacturing method of a membrane electrode assembly, A conventionally well-known manufacturing method may be sufficient. For example, when the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, it is desirable to obtain a membrane electrode assembly by a method including the following steps (1) to (3). That is, (1) a step of obtaining a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution by dissolving or suspending the perfluorocarbon sulfonic acid resin in a solvent, and (2) mixing in which the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution, the above composite particles and the solvent are mixed. Preferably, the method includes a step of obtaining a liquid, and (3) a step of forming an electrode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane using the mixed solution to obtain a membrane electrode assembly.
Hereinafter, each step will be described.

(工程1)
工程1では、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒に溶解又は懸濁して高分子電解質溶液であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を得る。なお、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液には、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒に懸濁して得られるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂懸濁液も包含される。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液の状態として、より具体的には、液体中に液体粒子がコロイド粒子又はそれよりも粗大な粒子として分散して乳状をなす乳濁液、液体中に固体粒子がコロイド粒子又は顕微鏡で見える程度の粒子として分散した懸濁液、巨大分子が分散した状態のコロイド状液体、多数の小分子が分子間力で会合して形成された親液コロイド分散系であるミセル状液体も包含される。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液は、これらのうちの1種の状態であってもよく、2種以上を組み合わせた状態であってもよい。
(Process 1)
In step 1, a perfluorocarbon sulfonic acid resin is dissolved or suspended in a solvent to obtain a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution that is a polymer electrolyte solution. The perfluorocarbon sulfonic acid resin solution includes a perfluorocarbon sulfonic acid resin suspension obtained by suspending a perfluorocarbon sulfonic acid resin in a solvent. More specifically, the state of the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution is an emulsion in which liquid particles are dispersed as colloidal particles or coarser particles in the liquid to form a milky state, and solid particles are colloidal particles in the liquid. Or a suspension dispersed as particles that can be seen under a microscope, a colloidal liquid in which macromolecules are dispersed, or a micellar liquid that is a lyophilic colloidal dispersion system formed by associating many small molecules with intermolecular forces Are also included. The perfluorocarbon sulfonic acid resin solution may be in one of these states or in a combination of two or more.

上記溶媒としてはパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂との親和性が良好な溶媒が好ましく、具体的には、水、エタノール、メタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、グリセリンに代表されるプロトン性有機溶媒;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンに代表される非プロトン性溶媒が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。1種の溶媒を用いる場合、溶媒として特に水が好ましい。また、2種以上の溶媒を組み合わせて用いる場合、水とプロトン性有機溶媒との混合液が特に好ましい。   As the solvent, a solvent having good affinity with the perfluorocarbon sulfonic acid resin is preferable, and specifically, a protic organic solvent represented by water, ethanol, methanol, n-propanol, isopropyl alcohol, butanol, and glycerin; Examples include aprotic solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. These are used singly or in combination of two or more. When one type of solvent is used, water is particularly preferable as the solvent. Moreover, when using in combination of 2 or more types of solvent, the liquid mixture of water and a protic organic solvent is especially preferable.

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒に溶解又は懸濁する方法は、特に限定されない。例えば、まず、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒(例えば水とプロトン性有機溶媒との混合溶媒)に添加して組成物を得る。次に、得られた組成物を必要に応じてガラス製内筒を有するオートクレーブ中に収容し、窒素などの不活性気体でオートクレーブ内部の空気を置換した後、内温が50℃〜250℃の条件下、0.25〜12時間で加熱及び攪拌する。これにより、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液が得られる。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液における総固形分濃度は0.5〜50質量%であると好ましく、1〜50質量%であるとより好ましく、3〜40質量%であると更に好ましく、5〜30質量%であると特に好ましい。その総固形分濃度が0.5質量%以上であると、電極触媒層の収率が向上する傾向にあり、50質量%以下であると、粘度の上昇に伴う取扱いの困難性及び未溶解物の発生を抑制できる傾向にある。   The method for dissolving or suspending the perfluorocarbon sulfonic acid resin in the solvent is not particularly limited. For example, first, a perfluorocarbon sulfonic acid resin is added to a solvent (for example, a mixed solvent of water and a protic organic solvent) to obtain a composition. Next, the obtained composition is housed in an autoclave having a glass inner cylinder as necessary, and after replacing the air inside the autoclave with an inert gas such as nitrogen, the internal temperature is 50 ° C to 250 ° C. Heat and stir under conditions 0.25-12 hours. Thereby, a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution is obtained. The total solid content concentration in the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution is preferably 0.5 to 50% by mass, more preferably 1 to 50% by mass, further preferably 3 to 40% by mass, and 5 to 30% by mass. % Is particularly preferred. When the total solid content concentration is 0.5% by mass or more, the yield of the electrode catalyst layer tends to be improved. When the total solid content concentration is 50% by mass or less, handling difficulty associated with increase in viscosity and undissolved matter. It tends to be possible to suppress the occurrence of.

溶媒として水とプロトン性有機溶媒との混合液を用いる場合、それらの混合比は、溶解方法、溶解条件、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の種類、総固形分濃度、溶解温度、攪拌速度等に応じて適宜選択される。ただし、プロトン性有機溶媒が多くなると溶液粘度が高くなり、水が多くなると溶解し難くなることから、水に対するプロトン性有機溶媒の質量比が、0.1〜10であると好ましく、0.1〜5であるとより好ましい。   When using a mixture of water and a protic organic solvent as the solvent, the mixing ratio depends on the dissolution method, dissolution conditions, type of perfluorocarbon sulfonic acid resin, total solid content concentration, dissolution temperature, stirring speed, etc. It is selected appropriately. However, when the amount of the protic organic solvent is increased, the solution viscosity is increased, and when the amount of water is increased, it is difficult to dissolve. Therefore, the mass ratio of the protic organic solvent to water is preferably 0.1 to 10, and 0.1 It is more preferable that it is ~ 5.

上記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液は、工程2に供する前に濃縮してもよい。濃縮の方法としては特に限定されないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を、加熱して溶媒を揮発させる方法、減圧濃縮する方法が挙げられる。濃縮して得られるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液における総固形分濃度は0.5〜50質量%であると好ましく、1〜50質量%であるとより好ましく、3〜40質量%であると更に好ましく、5〜30質量%であると特に好ましい。その総固形分濃度が0.5質量%以上であると電極触媒層の収率が向上する傾向にあり、50質量%以下であると、粘度の上昇に伴う取扱いの困難性及び未溶解物の発生を抑制できる傾向にある。   The perfluorocarbon sulfonic acid resin solution may be concentrated before being subjected to step 2. Although it does not specifically limit as a method of concentration, For example, the method of heating the perfluorocarbonsulfonic acid resin solution to volatilize a solvent, and the method of concentrate | evaporating under reduced pressure are mentioned. The total solid concentration in the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution obtained by concentration is preferably 0.5 to 50% by mass, more preferably 1 to 50% by mass, and further preferably 3 to 40% by mass. 5 to 30% by mass is particularly preferable. If the total solid content concentration is 0.5% by mass or more, the yield of the electrode catalyst layer tends to be improved. If the total solid content concentration is 50% by mass or less, it is difficult to handle due to increase in viscosity and undissolved matter. It tends to be able to suppress the occurrence.

上述のようにして得られた未濃縮又は濃縮後のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を更にろ過してもよい。ろ過することにより、未溶解ポリマー、ゲル化ポリマー、大きな分散ポリマー、又はパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を得るまでの工程中に混入した塵などを取り除くことができる。ろ過に用いるろ材としては特に限定されず、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、セルロースが挙げられる。ろ材の孔径も特に限定されず、例えば、0.5〜100μmの範囲であってもよい。   The non-concentrated or concentrated perfluorocarbon sulfonic acid resin solution obtained as described above may be further filtered. By filtering, it is possible to remove undissolved polymer, gelled polymer, large dispersed polymer, or dust mixed during the process until a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution is obtained. It does not specifically limit as a filter medium used for filtration, For example, a polypropylene, polyester, polytetrafluoroethylene, and a cellulose are mentioned. The pore diameter of the filter medium is not particularly limited, and may be in the range of 0.5 to 100 μm, for example.

(工程2)
工程2では、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液と上述の複合粒子と溶媒とを混合した混合液すなわち燃料電池用電極触媒組成物(以下「電極触媒組成物」ともいう。)を得る。それらの混合は常法により行われ、溶媒中のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液及び複合粒子の分散性を向上させるために、様々な装置を用いてそれらの分散処理を行ってもよい。上記装置としては、例えば、ホモジナイザー、ボールミル、超音波処理、加圧分散処理が挙げられる。
(Process 2)
In step 2, a mixed liquid obtained by mixing the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution, the above-described composite particles, and a solvent, that is, an electrode catalyst composition for a fuel cell (hereinafter also referred to as “electrode catalyst composition”) is obtained. They are mixed by a conventional method, and in order to improve the dispersibility of the perfluorocarbon sulfonic acid resin solution and the composite particles in a solvent, they may be dispersed using various apparatuses. Examples of the apparatus include a homogenizer, a ball mill, ultrasonic treatment, and pressure dispersion treatment.

電極触媒組成物の溶媒としては、例えば、水、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ジメチルスルホキシドが挙げられ、好ましくは水、エタノール、1−プロパノールであり、これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。電極触媒組成物は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のスルホン酸単位モル当りの低級アルコール溶媒量(低級アルコール/SO3H)(モル比)が好ましくは100以上、より好ましくは170以上である。その割合が100以上であることにより、組成物のゲル化が抑制される傾向にある。このゲル化抑制効果は、当量重量が250〜680のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を含む電極触媒組成物において顕著である。一方、当量重量が700以上のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を含む電極触媒組成物では、上記割合が100未満でもゲル化は顕著に進行せず、流動性の高いものが得られる。 Examples of the solvent for the electrode catalyst composition include water, lower alcohols such as ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, and dimethyl sulfoxide, and preferably water, ethanol, and 1-propanol. These are used singly or in combination of two or more. The electrode catalyst composition preferably has a lower alcohol solvent amount (lower alcohol / SO 3 H) (molar ratio) per mole of sulfonic acid unit of the perfluorocarbon sulfonic acid resin of 100 or more, more preferably 170 or more. When the ratio is 100 or more, gelation of the composition tends to be suppressed. This gelling suppression effect is remarkable in an electrode catalyst composition containing a perfluorocarbon sulfonic acid resin having an equivalent weight of 250 to 680. On the other hand, in an electrode catalyst composition containing a perfluorocarbon sulfonic acid resin having an equivalent weight of 700 or more, gelation does not proceed remarkably even when the ratio is less than 100, and a highly fluid product is obtained.

(工程3)
工程3では、上記混合液を用いて高分子電解質膜上に電極触媒層を形成させ、膜電極接合体を得る。本実施形態の膜電極接合体は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液と複合粒子とを含有する混合液である電極触媒組成物を、高分子電解質膜上に塗布して電極触媒層を形成させ、更に乾燥及び熱処理を施すことで得られる。あるいは、上記電極触媒組成物を基材上、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート上に塗布して、更に乾燥及び熱処理を施して電極触媒層を得た後、その電極触媒層を高分子電解質膜に積層して接合することによって、本実施形態の膜電極接合体が得られる。この場合、電極触媒層と高分子電解質膜とをその積層方向に100〜200℃で加熱プレスすることにより、それらを接合することができる。
(Process 3)
In step 3, an electrode catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane using the above mixed solution to obtain a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly of the present embodiment is formed by applying an electrode catalyst composition, which is a mixed solution containing a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution and composite particles, onto a polymer electrolyte membrane to form an electrode catalyst layer. It can be obtained by drying and heat treatment. Alternatively, the electrode catalyst composition is coated on a substrate, for example, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, and further subjected to drying and heat treatment to obtain an electrode catalyst layer. By laminating and bonding to the membrane, the membrane electrode assembly of this embodiment is obtained. In this case, the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be bonded by heating and pressing at 100 to 200 ° C. in the stacking direction.

電極触媒組成物を塗布する方法としては、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法等の一般的に知られている各種塗布方法を用いることが可能である。   As a method for applying the electrode catalyst composition, for example, various generally known application methods such as a spray method and a screen printing method can be used.

上述のようにして得られた本実施の形態の電極触媒層の耐熱水溶解性を向上させる観点から、工程3で電極触媒層を形成した後に電極触媒層に対して熱処理を施すことが好ましい。この熱処理における電極触媒層の加熱温度は、130〜200℃であると好ましく、150〜180℃であるとより好ましい。加熱温度は、電極触媒層の熱水への溶解抑制、電池性能の観点から130℃以上、高分子電解質の熱酸化分解抑制の観点から200℃以下が好ましい。   From the viewpoint of improving the hot water solubility of the electrode catalyst layer of the present embodiment obtained as described above, it is preferable to heat-treat the electrode catalyst layer after forming the electrode catalyst layer in step 3. The heating temperature of the electrode catalyst layer in this heat treatment is preferably 130 to 200 ° C, more preferably 150 to 180 ° C. The heating temperature is preferably 130 ° C. or higher from the viewpoint of suppressing dissolution of the electrode catalyst layer in hot water and battery performance, and 200 ° C. or lower from the viewpoint of suppressing thermal oxidative decomposition of the polymer electrolyte.

また、この熱処理における電極触媒層の加熱時間は、3〜120分であると好ましく、5〜90分であるとより好ましい。加熱時間は、電極触媒層の熱水への溶解抑制、電池性能の観点から5分以上、高分子電解質の熱酸化分解抑制の観点から120分以下が好ましい。   Moreover, the heating time of the electrode catalyst layer in this heat treatment is preferably 3 to 120 minutes, and more preferably 5 to 90 minutes. The heating time is preferably 5 minutes or longer from the viewpoint of suppressing dissolution of the electrode catalyst layer in hot water and battery performance, and 120 minutes or shorter from the viewpoint of suppressing thermal oxidative decomposition of the polymer electrolyte.

本実施の形態の膜電極接合体が備える高分子電解質膜の種類としては特に限定されないが、その膜電極接合体が備える電極触媒層を構成する高分子電解質と同じ分子構造を有する高分子電解質を含有する高分子電解質膜が好ましい。   The type of the polymer electrolyte membrane provided in the membrane electrode assembly of the present embodiment is not particularly limited, but a polymer electrolyte having the same molecular structure as the polymer electrolyte constituting the electrode catalyst layer provided in the membrane electrode assembly is used. The polymer electrolyte membrane contained is preferred.

また、このような高分子電解質膜は、ポリアゾール及び/又はチオエーテル基を有するポリマーを0.1〜10質量%含有するか、それに代えて/加えて、公知の活性ラジカルスカベンジャーやH22分解触媒作用を有する物質を含有することが、化学的安定性の観点から好ましい。また、公知の補強材で補強された膜であってもよい。なお、公知の炭化水素電解質を含有する電解質膜であっても、必要に応じて、その接合に、イオン伝導に影響のない接着層等設けるなどの工夫を施すことによって、本実施の形態に係る高分子電解質膜として用いることができる。 Further, such a polymer electrolyte membrane contains 0.1 to 10% by mass of a polymer having a polyazole and / or a thioether group, or instead of / in addition to the known active radical scavenger or H 2 O 2 decomposition. It is preferable to contain a substance having a catalytic action from the viewpoint of chemical stability. Moreover, the film | membrane reinforced with the well-known reinforcing material may be sufficient. It should be noted that, even in the case of an electrolyte membrane containing a known hydrocarbon electrolyte, according to the present embodiment, if necessary, a bonding layer or the like that does not affect ion conduction is provided for the bonding. It can be used as a polymer electrolyte membrane.

更に、このような高分子電解質膜のEWとしては特に制限はないが、250〜1200であることが好ましく、250〜900であるとより好ましい。また、膜厚としては、1〜500μmであると好ましく、2〜100μmであるとより好ましく、5〜50μmであると更に好ましい。   Furthermore, although there is no restriction | limiting in particular as EW of such a polymer electrolyte membrane, It is preferable that it is 250-1200, and it is more preferable that it is 250-900. Moreover, as a film thickness, it is preferable in it being 1-500 micrometers, it is more preferable in it being 2-100 micrometers, and it is still more preferable in it being 5-50 micrometers.

本実施の形態の膜電極接合体は、更に必要に応じて、各電極触媒層の外側に一対のガス拡散層を備えてもよい。その膜電極接合体がガス拡散層を備える場合も、電極触媒層と高分子電解質膜とを接合するのと同様に、電極触媒層に加熱プレスしてガス拡散層を接合すればよい。   The membrane electrode assembly according to the present embodiment may further include a pair of gas diffusion layers outside each electrode catalyst layer as necessary. When the membrane / electrode assembly includes a gas diffusion layer, the gas diffusion layer may be bonded by heating and pressing the electrode catalyst layer in the same manner as the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are bonded.

本実施の形態の固体高分子電解質型燃料電池は、上記本実施の形態の膜電極接合体を備える以外は、バイポーラプレート、バッキングプレートといった一般的な固体高分子型燃料電池に用いられる構成要素を備えることができる。   The solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes components used for a general solid polymer fuel cell such as a bipolar plate and a backing plate, except that the membrane electrode assembly according to the present embodiment is provided. Can be provided.

このうちバイポーラプレートは、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流動させるための溝を形成したグラファイト又はグラファイトと樹脂との複合材料、金属製のプレート等のことである。バイポーラプレートは、電子を外部負荷回路へ伝達する機能を有する他に、燃料や酸化剤を電極触媒近傍に供給する流路としての機能を有している。   Of these, the bipolar plate is graphite or a composite material of graphite and resin, a metal plate, or the like in which grooves for allowing a gas such as fuel or oxidant to flow are formed on the surface thereof. In addition to the function of transmitting electrons to an external load circuit, the bipolar plate has a function as a flow path for supplying fuel and an oxidant to the vicinity of the electrode catalyst.

例えば、一対のバイポーラプレートとそれらのバイポーラプレートの間に挿入したMEAとを備える複合体を複数積み重ねることにより、本実施の形態の固体高分子電解質型燃料電池が作製される。   For example, the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is manufactured by stacking a plurality of composites each including a pair of bipolar plates and an MEA inserted between the bipolar plates.

固体高分子電解質型燃料電池の運転は、一方の電極に水素を、他方の電極に酸素又は空気を供給することによって行われる。   The solid polymer electrolyte fuel cell is operated by supplying hydrogen to one electrode and oxygen or air to the other electrode.

本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池は、例えば、運転温度80〜90℃、アノード加湿温度60℃、カソード無加湿条件下であっても、良好な出力特性を有している。この詳細な理由は詳らかではないが、カソードの高分子電解質の含水率をアノードの高分子電解質の含水率よりも大きくすることによって、燃料電池運転で生成した水が高分子電解質膜を通過し、カソード側からアノード側に移動する水の逆拡散を促進すると考えられる。その結果、高分子電解質膜のプロトン伝導性が上昇するため、カソード無加湿条件下において高出力特性を得ることができると考えられる。   The solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment has good output characteristics even under an operating temperature of 80 to 90 ° C., an anode humidification temperature of 60 ° C., and no cathode humidification conditions, for example. The detailed reason is not clear, but by making the water content of the cathode polymer electrolyte larger than the water content of the anode polymer electrolyte, the water generated in the fuel cell operation passes through the polymer electrolyte membrane, It is thought to promote the reverse diffusion of water moving from the cathode side to the anode side. As a result, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is increased, and it is considered that high output characteristics can be obtained under the non-humidified condition of the cathode.

本実施の形態の電極触媒層は、燃料電池の電極触媒層としての用途の他、クロルアルカリ、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に備えられる電極触媒層として用いることも可能である。   The electrode catalyst layer of the present embodiment is provided for chloralkali, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor, etc. in addition to the use as a fuel cell electrode catalyst layer. It can also be used as an electrode catalyst layer.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は、上記形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said form, It can implement in various deformation | transformation within the range of the summary.

以下、本実施の形態を実施例に基づいて具体的に説明するが、本実施の形態は下記実施例に制限されるものではない。   Hereinafter, although this Embodiment is demonstrated concretely based on an Example, this Embodiment is not restrict | limited to the following Example.

(25℃における水中含水率の測定)
高分子電解質を25℃の水中に1時間静置後、水中から取り出し、表面の水滴を拭き取った後秤量した(含水質量)。次いで、高分子電解質を160℃で乾燥させ、乾燥後の質量を秤量した(乾燥質量)。乾燥質量に対する含水質量の質量増加率を算出し、25℃水中含水率とした。25℃水中含水率の数値が高いほど含水性が高いことを示す。
(Measurement of water content in water at 25 ° C)
The polymer electrolyte was left in water at 25 ° C. for 1 hour, then taken out from the water, wiped off water droplets on the surface, and weighed (water content). Subsequently, the polymer electrolyte was dried at 160 ° C., and the mass after drying was weighed (dry mass). The mass increase rate of the moisture content with respect to the dry mass was calculated and used as the moisture content in water at 25 ° C. It shows that water content is so high that the numerical value of 25 degreeC water content is high.

(EWの測定)
高分子電解質を、25℃で飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、その飽和NaCl水溶液中のプロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和滴定後に得られたスルホン酸基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている電解質膜を純水ですすぎ、更に真空乾燥した後に秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、スルホン酸基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている電解質膜の質量をW(mg)とし、下記式(A)より当量重量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)−22 (A)
(Measurement of EW)
The polymer electrolyte was immersed in 30 mL of a saturated aqueous NaCl solution at 25 ° C. and left for 30 minutes with stirring. Subsequently, the proton in the saturated NaCl aqueous solution was neutralized and titrated using 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using phenolphthalein as an indicator. The electrolyte membrane obtained after neutralization titration in which the counter ion of the sulfonic acid group was in the form of sodium ion was rinsed with pure water, further vacuum-dried, and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), and the weight of the electrolyte membrane in which the counter ion of the sulfonic acid group is sodium ion is W (mg). The weight EW (g / eq) was determined.
EW = (W / M) −22 (A)

(プロトン伝導度の測定)
日本ベル(株)社製の高分子膜水分量試験装置MSB−AD−V−FC(商品名)を用いて、高分子電解質のプロトン伝導度を測定した。
(Measurement of proton conductivity)
The proton conductivity of the polymer electrolyte was measured using a polymer membrane moisture test apparatus MSB-AD-V-FC (trade name) manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.

(メルトフローレート(MFR)の測定)
高分子電解質の前駆体のMFRは、ASTM規格D1238に従って、270℃、荷重2.16kgの条件下で、MELT INDEXER TYPE C−5059D(商品名、東洋精機社製)を用いて測定した。MFRの単位として、押し出された前駆体の質量を10分間当たりのグラム数で表した。
(Measurement of melt flow rate (MFR))
The MFR of the precursor of the polyelectrolyte was measured using MELT INDEXER TYPE C-5059D (trade name, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) under the conditions of 270 ° C. and a load of 2.16 kg according to ASTM standard D1238. As a unit of MFR, the mass of the extruded precursor was expressed in grams per 10 minutes.

(燃料電池評価)
膜電極接合体の電池特性を調べるため、下記のような燃料電池評価を実施した。まず、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層とを対向させて、それらの間に膜電極接合体を挟み込み、評価用セルに組み込んだ。アノード側及びカソード側のガス拡散層として、カーボンペーパー(GDL35BC,SGLカーボン社製)を用いた。この評価用セルを評価装置(東陽テクニカ(株))に設置して以下の条件1及び2で評価した。
(条件1)セル温度80℃、アノード加湿温度60℃、カソード無加湿
(条件2)セル温度90℃、アノード加湿温度60℃、カソード無加湿
水素ガスは、水バブリング方式により加湿して評価用セルへ供給した。空気ガスは、空気ガスボンベから直接ガスを評価用セルへ供給した。各条件下、評価用セルを0.25A/cm2の電圧で30分間保持した後、電圧、抵抗を測定した。このとき、ガス流量は、水素ガスの利用率が75%、空気ガスの利用率が55%になるように設定した。
(Fuel cell evaluation)
In order to investigate the cell characteristics of the membrane electrode assembly, the following fuel cell evaluation was performed. First, the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer were made to face each other, and the membrane electrode assembly was sandwiched between them, and incorporated in the evaluation cell. Carbon paper (GDL35BC, manufactured by SGL Carbon Co.) was used as the gas diffusion layer on the anode side and the cathode side. This evaluation cell was installed in an evaluation apparatus (Toyo Technica Co., Ltd.) and evaluated under the following conditions 1 and 2.
(Condition 1) Cell temperature 80 ° C., anode humidification temperature 60 ° C., cathode non-humidification (Condition 2) Cell temperature 90 ° C., anode humidification temperature 60 ° C., cathode non-humidification Supplied. The air gas was supplied directly from the air gas cylinder to the evaluation cell. Under each condition, the evaluation cell was held at a voltage of 0.25 A / cm 2 for 30 minutes, and then the voltage and resistance were measured. At this time, the gas flow rate was set so that the utilization rate of hydrogen gas was 75% and the utilization rate of air gas was 55%.

(実施例1)
(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体の作製)
ステンレス製攪拌式オートクレーブに、C715COONH4の10%水溶液と純水とを仕込み、十分に真空、窒素置換を行った後、テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)(以下、「TFE」と略記する。)ガスを導入して、ゲージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続いて、過硫酸アンモニウム水溶液を注入して重合を開始した。重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEガスを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保持するようにし、かつ、供給したTFEに対して、質量比で2.00倍に相当する量のCF2=CFO(CF22−SO2Fを連続的に供給して重合を行った。こうして、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体のペレットを得た。また、供給するCF2=CFO(CF22−SO2Fの質量比を2.00から0.70に変更する以外は上記と同様にして、別のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体のペレットを得た。
Example 1
(Preparation of perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor)
A stainless steel stirring autoclave was charged with a 10% aqueous solution of C 7 F 15 COONH 4 and pure water, and after sufficient vacuum and nitrogen substitution, tetrafluoroethylene (CF 2 = CF 2 ) (hereinafter referred to as “TFE”). The gas was introduced and the pressure was increased to 0.7 MPa with a gauge pressure. Subsequently, polymerization was initiated by injecting an aqueous ammonium persulfate solution. In order to replenish the TFE consumed by the polymerization, the TFE gas is continuously supplied to maintain the pressure of the autoclave at 0.7 MPa, and the mass ratio is 2.00 times the supplied TFE. A corresponding amount of CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F was continuously supplied for polymerization. Thus, pellets of a perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor were obtained. Also, except for changing the mass ratio of the supplied CF 2 = CFO (CF 2) 2 -SO 2 F from 2.00 to 0.70 in the same manner as described above, pellets of different perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor Got.

(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液の作製)
上述のようにして得られたパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体のペレットを準備した。それらのペレットを、水酸化カリウム(15質量%)とメチルアルコール(50質量%)とを溶解した水溶液中で、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、それらのペレットを水溶液から取り出して、60℃の水中に5時間浸漬して、水から取り出した。次に、それらのペレットを、60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回塩酸水溶液を更新して5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、互いに異なるEWを有する、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF22−SO3H))−で表される繰り返し単位とを有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂A1及びA2のペレットを得た。
(Preparation of perfluorocarbon sulfonic acid resin solution)
Perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor pellets obtained as described above were prepared. These pellets were contacted at 80 ° C. for 20 hours in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methyl alcohol (50% by mass) were dissolved to perform a hydrolysis treatment. Then, those pellets were taken out from the aqueous solution, immersed in 60 ° C. water for 5 hours, and taken out from the water. Next, the treatment of immersing these pellets in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times by updating the aqueous hydrochloric acid solution every time, and then washed with ion-exchanged water and dried. Accordingly, the repeating unit represented by — (CF 2 —CF 2 ) — having EW different from each other and represented by — (CF 2 —CF (—O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H)) — The pellets of perfluorocarbon sulfonic acid resins A1 and A2 having the above repeating units were obtained.

加水分解、及び酸処理後のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のEWはA1について455、A2について720であった。これらの樹脂のMFR(前駆体にて測定)は、A1について0.4、A2について3.0であった。これら樹脂の25℃における水中含水率は、A1について337質量%、A2について36質量%であった。これらの樹脂の120℃、30%RH条件におけるプロトン伝導度は、A1において0.09S/cm、A2について0.02S/cmであった。   The EW of the perfluorocarbon sulfonic acid resin after hydrolysis and acid treatment was 455 for A1 and 720 for A2. The MFR (measured with the precursor) of these resins was 0.4 for A1 and 3.0 for A2. The water content of these resins in water at 25 ° C. was 337 mass% for A1 and 36 mass% for A2. The proton conductivity of these resins at 120 ° C. and 30% RH was 0.09 S / cm for A1 and 0.02 S / cm for A2.

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のペレットをエタノール水溶液(水:エタノール=50:50(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で攪拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂分散液を作製した。次に、100gのパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂分散液に純水100gを添加、攪拌した後、この液を80℃に加熱して、攪拌しながら、固形分濃度が20質量%になるまで濃縮して、20%パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂分散液を得た。樹脂A1の分散液をAS1、樹脂A2の分散液をAS2とする。   Perfluorocarbon sulfonic acid resin pellets were placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50: 50 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform perfluorocarbon sulfonic acid resin dispersion. Next, 100 g of pure water was added to 100 g of perfluorocarbon sulfonic acid resin dispersion and stirred, and then this liquid was heated to 80 ° C. and concentrated while stirring until the solid content concentration became 20% by mass. A 20% perfluorocarbon sulfonic acid resin dispersion was obtained. The dispersion of resin A1 is AS1, and the dispersion of resin A2 is AS2.

(膜電極接合体の作製)
Pt担持カーボン(田中貴金属社製、商品名「TEC10E40E」、Pt36.4質量%担持)1.00gに対し、20質量%パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液AS1又はAS2を2.0g、エタノールを8.4g添加した後、ホモジナイザーでよく混合して電極インクを得た。樹脂溶液AS1から得られた電極インクをBS1、樹脂溶液AS2から得られた電極インクをBS2とする。
電極インクBS1をスクリーン印刷法にて高分子電解質膜(商品名「イオン交換膜−SF7203」、20μm、旭化成イーマテリアルズ株式会社製)の一面に塗布し、これをカソード触媒層とした。その高分子電解質膜の他面に電極インクBS2をスクリーン印刷法にて塗布し、これをアノード触媒層とした。塗布量は、カソード触媒層においてPt担持量及びポリマー担持量が共に0.3mg/cm2となるように、また、アノード触媒層においてPt担持量及びポリマー担持量が共に0.2mg/cm2となるように調整した。塗布後、室温下で1時間、空気中140℃で5分間熱処理を行うことにより、高分子電解質膜と、それを挟むアノード触媒層とカソード触媒層とを備える膜電極接合体を得た。
(Production of membrane electrode assembly)
For 1.00 g of Pt-supported carbon (trade name “TEC10E40E”, trade name “TEC10E40E”, supported by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), 2.0 g of 20% perfluorocarbon sulfonic acid resin solution AS1 or AS2, and 8.4 g of ethanol. After the addition, electrode ink was obtained by mixing well with a homogenizer. The electrode ink obtained from the resin solution AS1 is BS1, and the electrode ink obtained from the resin solution AS2 is BS2.
The electrode ink BS1 was applied to one surface of a polymer electrolyte membrane (trade name “ion exchange membrane-SF7203”, 20 μm, manufactured by Asahi Kasei E-Materials Co., Ltd.) by screen printing, and this was used as a cathode catalyst layer. Electrode ink BS2 was applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane by a screen printing method to form an anode catalyst layer. The coating amount was such that both the Pt loading amount and the polymer loading amount were 0.3 mg / cm 2 in the cathode catalyst layer, and both the Pt loading amount and the polymer loading amount were 0.2 mg / cm 2 in the anode catalyst layer. It adjusted so that it might become. After coating, a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane was obtained by performing a heat treatment at 140 ° C. for 5 minutes at room temperature for 1 hour.

この膜電極接合体を用いて、燃料電池評価を上述のようにして行った。その結果を表1に示す。電圧は、条件1で0.745V、条件2で0.659Vとなり、カソード無加湿条件においても高い電圧を示した。そのときの抵抗は、条件1で157mΩ・cm2、条件2で343mΩ・cm2であった。 Using this membrane electrode assembly, fuel cell evaluation was performed as described above. The results are shown in Table 1. The voltage was 0.745 V under condition 1 and 0.659 V under condition 2, indicating a high voltage even in the cathode non-humidified condition. Resistance at that time, 157mΩ · cm 2 under the conditions 1 was 343mΩ · cm 2 under the conditions 2.

(比較例1)
カソード触媒層及びアノード触媒層を形成するための電極インクに両方ともBS2を用いたこと以外は実施例1と同様にして膜電極接合体を作製し、燃料電池評価を行った。その結果、電圧は、条件1で0.701V、条件2で0.540Vとなり、カソード無加湿条件において実施例1に比べて電圧が低下した。そのときの抵抗は、条件1で198mΩ・cm2、条件2で544mΩ・cm2であり、実施例1に比べて抵抗が増大した。
(Comparative Example 1)
A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that BS2 was used for both of the electrode inks for forming the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the fuel cell was evaluated. As a result, the voltage was 0.701 V under condition 1 and 0.540 V under condition 2, and the voltage was lower than that in Example 1 under the non-humidifying condition of the cathode. Resistance at that time, 198mΩ · cm 2 under the conditions 1, the condition 2 is 544mΩ · cm 2, the resistance is increased as compared with Example 1.

(比較例2)
カソード触媒層及びアノード触媒層を形成するための電極インクに両方ともBS1を用いたこと以外は実施例1と同様にして膜電極接合体を作製し、燃料電池評価を行った。その結果、電圧は、条件1で0.708V、条件2で0.558となり、カソード無加湿条件において実施例1に比べて電圧が低下した。そのときの抵抗は、条件1で201mΩ・cm2、条件2で548mΩ・cm2であり、実施例1に比べて抵抗が増大した。
(Comparative Example 2)
A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that BS1 was used as the electrode ink for forming the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the fuel cell was evaluated. As a result, the voltage was 0.708 V under condition 1 and 0.558 under condition 2, and the voltage was lower than that of Example 1 under the non-humidifying condition of the cathode. Resistance at that time, 201mΩ · cm 2 under the conditions 1, the condition 2 is 548mΩ · cm 2, the resistance is increased as compared with Example 1.

(比較例3)
カソード触媒層の電極インクにBS2を、アノード触媒層の電極インクにBS1を用いたこと以外は実施例1と同様にして膜電極接合体を作製し、燃料電池評価を行った。その結果、電圧は、条件1で0.684V、条件2で0.321となり、カソード無加湿条件において実施例1に比べて電圧が低下した。そのときの抵抗は、条件1で206mΩ・cm2、条件2で1050mΩ・cm2であり、実施例1に比べて抵抗が増大した。
(Comparative Example 3)
A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that BS2 was used for the electrode ink of the cathode catalyst layer and BS1 was used for the electrode ink of the anode catalyst layer, and the fuel cell was evaluated. As a result, the voltage was 0.684 V under condition 1 and 0.321 under condition 2, and the voltage was lower than in Example 1 under the non-humidifying condition of the cathode. Resistance at that time, 206mΩ · cm 2 under the conditions 1, the condition 2 is 1050mΩ · cm 2, the resistance is increased as compared with Example 1.

Figure 0006158377
Figure 0006158377

実施例1及び比較例1〜3の結果から明らかなように、カソード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率を、アノード触媒層における高分子電解質の25℃における水中含水率よりも大きくすることによって、カソード無加湿条件下において高出力を得られることが確認された。   As is clear from the results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, the water content of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer at 25 ° C. is larger than the water content of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer at 25 ° C. in water. As a result, it was confirmed that a high output can be obtained under the non-humidified condition of the cathode.

本発明の膜電極接合体は、カソード無加湿条件下、例えば、運転温度80〜90℃、アノード加湿60℃、カソード無加湿の条件下で高い出力を有する。そのため、本発明の膜電極接合体を備えることで、加湿器を省略した固体高分子電解質型燃料電池等を提供することができる。   The membrane / electrode assembly of the present invention has a high output under conditions of no cathode humidification, for example, under conditions of an operating temperature of 80 to 90 ° C., an anode humidification of 60 ° C., and no cathode humidification. Therefore, by providing the membrane electrode assembly of the present invention, it is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell or the like in which a humidifier is omitted.

Claims (2)

高分子電解質膜と、その高分子電解質膜を両側から挟む、アノード触媒層と、カソード触媒層と、を備える膜電極接合体を備えカソード電極を無加湿下条件で運転する固体高分子電解質型燃料電池であって、
前記膜電極接合体において、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、それぞれ、導電性粒子とその上に担持された電極触媒粒子とを含む複合粒子と、高分子電解質と、を含み、
前記複合粒子は、前記電極触媒粒子を、前記複合粒子100質量%に対して1〜99質量%担持しており、
前記アノード触媒層における前記高分子電解質の25℃における水中含水率が、20〜36%であり、
前記カソード触媒層における前記高分子電解質の25℃における水中含水率が、前記アノード触媒層における前記高分子電解質の25℃における前記水中含水率よりも2〜20倍大きく、
前記カソード触媒層における前記高分子電解質の当量重量が、455〜800であ
前記カソード触媒層における前記高分子電解質が、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であり、前記パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、下記一般式(1):
−(CF 2 −CFZ)− (1)
(式中、Zは、水素原子、塩素原子、フッ素原子又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す。)
で表される繰り返し単位と、下記一般式(2):
−(CF 2 −CF(−O−(CF 2 m −SO 3 H))− (2)
(式中、mは1〜12の整数である。)
で表される繰り返し単位と、を有する共重合体である、
固体高分子電解質型燃料電池
Sandwiching a polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane from both sides, the anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, comprising a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte type of operating a cathode electrode without humidification under conditions A fuel cell,
In the membrane electrode assembly,
The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer each include composite particles including conductive particles and electrode catalyst particles supported thereon, and a polymer electrolyte,
The composite particles carry 1 to 99% by mass of the electrode catalyst particles with respect to 100% by mass of the composite particles,
The water content of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer at 25 ° C. in water is 20 to 36%,
The water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is 2 to 20 times greater than the water content in water at 25 ° C. of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer,
The equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer, Ri 455-800 der,
The polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, and the perfluorocarbon sulfonic acid resin has the following general formula (1):
- (CF 2 -CFZ) - ( 1)
(In formula, Z shows a hydrogen atom, a chlorine atom, a fluorine atom, or a C1-C3 perfluoroalkyl group.)
A repeating unit represented by the following general formula (2):
- (CF 2 -CF (-O- ( CF 2) m -SO 3 H)) - (2)
(In the formula, m is an integer of 1 to 12.)
A copolymer having a repeating unit represented by:
Solid polymer electrolyte fuel cell .
前記カソード触媒層における前記高分子電解質の当量重量が、前記アノード触媒層における前記高分子電解質の当量重量よりも、100〜1000小さい、請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein an equivalent weight of the polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is 100 to 1000 smaller than an equivalent weight of the polymer electrolyte in the anode catalyst layer.
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